核反応 (原子核が関与する変化) は、宇宙で最もエネルギー的なプロセスを表します。 物質に含まれるこのエネルギーを解放するには、主に 2 つの方法があります。核分裂そして合併。 原理的には根本的に異なりますが、これら 2 つの反応は次の有名な方程式に従います。アルバート・アインシュタイン(1879-1955): \(E = mc^2\)、これは質量とエネルギーの等価性を確立します。
核分裂は、中性子の衝突下で重い原子核 (たとえば、ウラン 235 やプルトニウム 239) が 2 つの軽い破片に破壊されることで構成されます。 放出されるエネルギーは、核子ごとの結合エネルギーに関連する質量差から生じます。 通常、\(^{235}\)U の核分裂では、中性子を捕捉した後、個々の核分裂反応ごとに約 \(200\ \text{MeV}\) が放出されます。
1938 年にオットー・ハーン (1879-1968) とフリッツ・シュトラスマン (1902-1980) によって発見され、リーゼ・マイトナー (1878-1968) とオットー・フリッシュ (1904-1979) によって解釈されたこの反応は、かなりのエネルギーといくつかの中性子を放出し、それらが新たな核分裂を引き起こし、連鎖反応を引き起こします。
放出されるエネルギーは質量欠陥から生じます。つまり、核分裂生成物の質量の合計は、最初の原子核の質量よりも小さくなります。 この質量欠陥は、小さいとはいえ、\(E = \Delta m c^2\) に従って巨大なエネルギーに変換されます。ここで、\(\Delta m\) は質量差、\(c\) は光の速度です。
要約すると、あるサイズを超えると、単一の不安定な重い核の形で存在するよりも、2 つの中程度の核の形で存在する方がエネルギー的に有利であるため、核は分裂します。 核分裂は、中性子の追加によって引き起こされる、この安定性の探求の表現です。
対照的に、核融合では、水素の同位体 (重水素 \(^{2}\)H と三重水素 \(^{3}\)H) などの 2 つの軽い原子核が結合して、より重い原子核 (ヘリウム \(^{4}\)He) を形成します。 太陽のような星に動力を供給するこのプロセスは、核子あたり核分裂よりもさらに大きなエネルギーを放出します。 正に帯電した原子核間の静電反発力 (クーロン障壁) を克服するには、温度 (数百万度のオーダー) と圧力の極端な条件が必要です。 D-T 反応により放出されるエネルギーは \(17.6\ \text{MeV}\) 程度です。
地球上で核融合を達成することは、途方もない技術的挑戦を意味するが、その可能性は計り知れない。豊富な燃料、長寿命の放射性廃棄物の生成量の少なさ、そして反応レースのリスクのなさである。
注記 ：D-T 融合が解放されると言うとき、17.6MeV、これはエネルギーです素反応ごとの合計つまり、重水素原子核 (\(^{2}\)H) と三重水素原子核 (\(^{3}\)H) の間の相互作用の場合です。 このエネルギーはヘリウム 4 原子核 (約 3.5 MeV) と中性子 (約 14.1 MeV) の間に分配されます。 反応が伴うので、5バリオン(2+3)、各核子に返されるエネルギーは次のとおりです。 \( \frac{17.6}{5} \約 3.5\ \text{バリオンあたりの MeV}。 \) 私たちが他の核プロセスとよく比較するのはこの値です。核分裂放出はバリオンあたり 0.9 MeV 程度ですが、核融合はバリオンあたり数 MeV に達するため、反応性質量スケールでのエネルギー潜在力はより高くなります。
次の表は、これら 2 つの核反応の主な特徴を要約し、その基本的な違いを強調しています。
| 特性 | 分裂 | 合併 | コメント |
|---|---|---|---|
| 試薬 | 重い核（U-235、Pu-239） | 軽原子核 (D、T、He-3) | 入手可能な濃縮ウランは限られており、海水には重水素が豊富に存在する |
| 反応によって放出されるエネルギー | ≈ 200MeV | ≈ 17.6 MeV | 素反応ごとの総エネルギー |
| 比エネルギー（核子あたり） | ≈ 0.85 MeV/バリオン | ≈ 3.5 MeV/バリオン | エネルギー効率を直接比較できる |
| 発火条件 | クリティカルマス | 密度×温度×閉じ込め時間（ローソン基準） | 核融合には約 10^8 K の温度と長時間の閉じ込めが必要です |
| 動作温度 | 熱中性子炉の場合は約 300 ～ 600°C | D-T プラズマの場合、約 1 億 K | 核融合には非常に高温のプラズマが必要です |
| エネルギー効率 | 現在のプラントでは約 33 ～ 37% | ≈ ITER および DEMO については 30 ～ 50% と予測 | 熱変換と損失によって収量が制限される |
| 中性子の生成 | 放出される高速中性子 (核分裂ごとに約 2 ～ 3) | D-T 用の非常に高エネルギーの中性子 (14 MeV) | 中性子は物質を活性化し、核変換を引き起こす可能性があります |
| 現在のアプリケーション | 原子力発電所、兵器 | 実験（ITER、NIF）、水爆 | 制御融合はまだ実験段階にある |
| 無駄 | 長寿命放射性廃棄物 | 弱いまたは一時的な放射性廃棄物（物質の中性子放射化） | 核融合は長期的には問題のある廃棄物をあまり発生させません |
| リスク | 重大事故、臨界、放射能汚染の可能性 | 局所爆発リスクが低い、中性子放射化 | 核融合は本質的に核分裂よりも安全です |
| 必要な技術 | 熱中性子炉または高速中性子炉、制御棒、減速材 | 磁気（トカマク、ステラレーター）または慣性（レーザー）閉じ込め | 核融合に向けた格納技術はまだ実験段階にある |
| 燃料の入手可能性 | 濃縮ウランまたはリサイクルプルトニウム | リチウム照射により生成される豊富な重水素、三重水素 | ほぼ無制限の重水素、希少で人工的に生成されたトリチウム |
| 反応時間 | リアクター内で連続的かつ制御可能 | 実験ではプラズマは数秒から数分間安定 | 核融合は依然として短期間の閉じ込め期間に限定される |
参考文献:国際原子力機関 (IAEA)、ITER。
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